Tipos de fermentadores: um guia completo para iniciantes

Escolher o fermentador certo é um investimento significativo que afetará a velocidade do seu processo, a quantidade de produto que você fabrica e seus resultados financeiros. Se você não tem certeza de qual fermentador é o ideal para seus objetivos de produção, este guia explorará diferentes tipos de fermentadores e suas aplicações industriais.

O que são fermentadores?

Os biorreatores, também chamados de fermentadores, são recipientes cuidadosamente controlados que cultivam microrganismos como bactérias, leveduras ou fungos para produzir biomassa ou subprodutos. Em escala comercial, são utilizados para manter a temperatura, o pH, o fluxo de ar e a agitação em níveis constantes, permitindo o crescimento dos microrganismos e a produção de produtos.

Classificação de fermentadores por modo de operação

Fermentadores em lote

Quando fermentação em lote É utilizado um sistema de fermentação em lote, no qual todos os nutrientes e a cultura inicial são adicionados no começo. O processo continua até ser concluído e toda a matéria-prima é colhida. No entanto, apresenta uma produção volumétrica menor, pois necessita de um longo intervalo entre os ciclos para limpeza, esterilização e preparação. Além disso, oferece controle limitado sobre o processo após o início.

Os usos comuns incluem a produção de antibióticos como a penicilina, algumas vacinas, bebidas alcoólicas exclusivas e produtos químicos que não são fabricados em grandes quantidades. A produção de fermento biológico ou muitas fermentações clássicas de cerveja são ótimos exemplos disso no mundo dos negócios.

Fermentadores contínuos

Os fermentadores contínuos são dispositivos abertos que permitem adicionar meio de cultura novo e retirar simultaneamente o produto e o caldo usado. Os principais problemas são a alta probabilidade de contaminação ou alteração da cepa em longos períodos de operação, e o projeto do sistema e o controle do processo são mais complexos, exigindo um planejamento de engenharia extenso desde o início.

Este modo funciona melhor para itens de alto volume e baixo valor, onde a configuração é adequada e a produção é constante. Alguns usos importantes incluem a produção de etanol ou biocombustíveis para a indústria. recintos com temperatura controlada, produzindo proteínas unicelulares (como a micoproteína Quorn), tratando águas residuais e produzindo alguns ácidos orgânicos. Como exemplo na indústria de bebidas, um "fermentador de torre" é usado para manter a cerveja fermentando o tempo todo.

Fermentadores de batelada alimentada

Em batelada alimentada, Você começa com uma quantidade base e adiciona nutrientes (alimentação) lentamente, sem remover o meio de cultura até a colheita. Isso permite contornar o bloqueio do substrato ou a repressão catabólica, controlar as vias metabólicas e obter um número muito alto de células e produtos. A desvantagem é que ainda leva muito tempo para obter os resultados.

É o modo de produção mais utilizado atualmente na indústria biofarmacêutica e em bioprocessos de alto valor agregado. A produção de proteínas recombinantes (por exemplo, insulina e anticorpos monoclonais), a maioria dos antibióticos atuais e enzimas de alto valor agregado são aplicações comuns. A Biopharma International afirma que a tecnologia de fermentação em batelada alimentada é utilizada em mais de 701.000 processos de fermentação industrial por oferecer a melhor combinação de controle e rendimento.

Classificação de Fermentadores por Projeto

Fermentadores de tanque agitado (STRs)

O tipo mais comum de biorreator no mercado é o Reator de Tanque Agitado (STR). Ele utiliza impulsores mecânicos para agitar e misturar a cultura. Isso permite uma grande movimentação de massa (oxigênio, nutrientes) e condições uniformes, o que o torna muito útil para uma ampla gama de viscosidades e tipos de células. No entanto, as partes móveis (vedações, eixo) dificultam o uso e a manutenção, além de aumentarem o risco de danos às células sensíveis por contaminação ou estresse.

Devido à sua flexibilidade, os STRs são geralmente usados para produzir antibióticos, proteínas recombinantes em células de mamíferos e enzimas de fermentação. Como aponta o Instituto Americano de Engenheiros Químicos, a maioria dos biorreatores e tanques farmacêuticos de aço inoxidável Os STRs são utilizados nos processos farmacêuticos e biotecnológicos.

Fermentadores de transporte aéreo

Os fermentadores airlift movimentam a cultura injetando gás (geralmente ar) na parte inferior. A diferença de densidade entre a seção "superior", que é gaseificada, e a seção "inferior", que é desgaseificada, cria um circuito de fluxo suave e constante. Esse design elimina a necessidade de agitadores mecânicos, o que reduz o cisalhamento, o risco de contaminação e a quantidade de energia necessária.

Um problema é que ele não movimenta oxigênio tão bem quanto os reatores de tanque agitado (STRs) quando há muitas células, e não é tão eficiente na mistura de caldos muito densos. Eles também são comumente usados para tratar grandes quantidades de resíduos e produzir proteínas unicelulares. Os sistemas de airlift são frequentemente usados na produção industrial de leveduras porque são eficientes e podem ser ampliados.

Fermentadores de coluna de bolhas

Uma coluna de bolhas é um recipiente simples em forma de cilindro, preenchido com gás na parte inferior. Isso cria bolhas ascendentes que misturam a cultura e permitem a entrada de ar. É ainda mais fácil de construir do que um sistema airlift, pois não necessita de um tubo de corrente interno. A desvantagem é a dificuldade em controlar a mistura, que pode ocorrer na direção oposta à desejada, e o fato de não ser adequada para culturas de alta viscosidade ou densas.

Algumas aplicações comuns incluem o cultivo de algas, algumas fermentações de leveduras e a produção de substâncias químicas básicas (como o ácido acético) por meio da fermentação. Quando fontes de luz são adicionadas, elas também podem ser usadas como fotobiorreatores. Muitas usinas industriais de etanol utilizam grandes colunas de borbulhamento na primeira etapa da fermentação.

Fermentadores de leito fixo

Em um fermentador de leito fixo, as células são aderidas a uma matriz de suporte sólida que é compactada em forma de coluna. Essa matriz de suporte pode ser feita de esferas de gel ou fibras ocas. Os nutrientes são bombeados lentamente através desse leito plano. Alguns dos principais problemas desse método incluem a possibilidade de canalização (fluxo irregular) e o controle dos níveis de pH e oxigênio no leito espesso.

São reatores especiais perfeitos para a produção repetida de substâncias com sistemas enzimáticos ou celulares fixos. Alguns usos comuns incluem a produção de xarope de milho rico em frutose com glicose isomerase fixa e a remoção de nitrogênio de águas residuais.

Fermentadores de leito fluidizado

Neste caso, as células aderem a pequenas partículas espessas que são mantidas no ar pelo fluxo ascendente de gás e/ou líquido. Isso reúne as melhores características de um leito fixo e de um dispositivo de suspensão, combinando-as em um só. Algumas desvantagens desse método são a alta demanda de energia para fluidização, a possibilidade de perda de partículas e a complexidade da hidrodinâmica, o que dificulta a ampliação da escala.

Quando você precisa de alta resistência e taxas de reação rápidas com catalisadores já instalados, esses reatores são a solução ideal. Eles são usados para aprimorar o tratamento de águas residuais, removendo DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio), realizando algumas reações biocatalíticas e certos tipos de fermentação por leveduras.

Fermentadores de membrana

Os fermentadores de membrana possuem uma unidade de filtragem que separa os produtos ou subprodutos da cultura celular, mantendo as células no reator. Isso pode ser feito por ultrafiltração ou microfiltração. Essa característica possibilita contagens celulares muito elevadas, remoção constante do produto (o que pode auxiliar na inibição por retroalimentação) e o reaproveitamento de células antigas. A desvantagem é o acúmulo de muco nas membranas; o processo é mais caro e complexo, exigindo sistemas de controle bastante avançados.

Este projeto de alta tecnologia é utilizado para tarefas contínuas e de alto valor agregado. Algumas das aplicações mais importantes incluem a produção de ácido lático, a produção contínua de etanol com reciclagem celular e o cultivo de células de mamíferos por perfusão para proteínas instáveis.

Fotobiorreatores

Os fotobiorreatores (PBRs) são projetados para cultivar organismos que utilizam a luz para produzir alimento, como algas e cianobactérias. Eles controlam a quantidade de luz que entra (através de iluminação interna ou superfícies transparentes), movimentam o CO2 e o misturam. Os PBRs fechados mantêm o ambiente limpo e oferecem alto controle, mas exigem um investimento considerável e podem apresentar problemas como acúmulo de oxigênio e limitações no gradiente de luz.

A principal utilização é o cultivo de microalgas em larga escala para a obtenção de produtos valiosos como biocombustíveis, astaxantina, betacaroteno e ácidos graxos ômega-3. Bioplásticos (PHAs) ou corantes produzidos por cianobactérias também são encontrados nesses biorreatores. Um exemplo no mundo dos negócios é o uso de fotobiorreatores tubulares ou de painel plano para a produção de espirulina para nutracêuticos.

Tipos de fermentadores especializados e emergentes

Biorreatores de uso único

Os biorreatores de uso único (SUBs) utilizam um saco descartável pré-esterilizado como recipiente de cultura, dentro de uma estrutura de suporte e controle que pode ser reutilizada diversas vezes. A ausência de validação da limpeza e esterilização reduz significativamente o tempo de reação e a contaminação cruzada. Os principais problemas são os custos contínuos mais elevados com consumíveis, a escalabilidade limitada (embora esteja melhorando) e as preocupações ambientais relacionadas ao descarte de plástico.

Por serem flexíveis, são perfeitas para empresas de fabricação por contrato (CMOs) que trabalham com uma ampla gama de produtos. A Pall (Cytiva) e a Sartorius são duas das maiores fornecedoras, e seus sistemas agora podem processar até 2.000 litros.

Biorreatores em escala reduzida

São biorreatores muito pequenos, com um volume útil de cerca de 1 mL a 1 L. São altamente instrumentados e projetados para simular as condições de grandes reatores de produção. Permitem a criação, otimização e triagem de clones em larga escala, utilizando uma quantidade mínima de material.

São muito importantes para o desenvolvimento de bioprocessos e para a realização de estudos sobre como aumentar ou diminuir a escala de produção. Alguns usos comuns incluem a otimização de meios de cultura, a criação de novas estratégias de alimentação e a resolução de problemas em processos de fabricação em larga escala utilizados na indústria farmacêutica e biotecnológica. Os sistemas fabricados pela Applikon Biotechnology e pela M2P-Labs são referência na área. Tensão de cisalhamento, transferência de oxigênio e mistura no meio de cultura são fatores essenciais. fermentador de aço inoxidável deve corresponder à via metabólica do seu organismo e produto (ex.: aeróbica/anaeróbica).

Tabela comparativa: Biorreatores de uso único vs. Biorreatores de escala reduzida

Recurso	Biorreator de uso único (SUB)	Biorreator em escala reduzida (SDR)
Objetivo principal	Produção de lotes clínicos/comerciais	Desenvolvimento e Otimização de Processos
Principal vantagem	Elimina a necessidade de limpeza CIP/SIP; reduz a contaminação cruzada.	Triagem de alto rendimento com uso mínimo de recursos
Escala típica	50L – 2000L	1 mL – 10 L
Modelo de custo	Alto custo de consumíveis (sacolas), menor capital	Alto custo de capital para o sistema, baixo custo por operação.
Usuário ideal	Instalação de fabricação GMP de múltiplos produtos	Laboratórios de P&D e desenvolvimento de bioprocessos

Como escolher o fermentador certo

Considere seu produto e microrganismo

Escala de Produção

Esta é a escala de bancada para pesquisa e desenvolvimento. Dados de escalabilidade são necessários para programas de teste. Seja confiável, eficiente e sinta-se à vontade com as habilidades de forjamento da KDM Steel para a fabricação.

Necessidades de Controle e Automação

Para processos que exigem precisão, como os de produtos biológicos, são necessários sensores de alta tecnologia e robótica. Circuitos de controle básicos podem ser usados para processos mais simples, como alguns biocombustíveis.

Orçamento e custos operacionais

Analise o custo total de propriedade, que inclui o investimento inicial, a instalação, os serviços (como refrigeração e agitação), a manutenção e os consumíveis (como sacos de uso único ou produtos de limpeza).

Conformidade e limpeza no local (CIP)/esterilização no local (SIP)

Indústrias regulamentadas, como a alimentícia e a farmacêutica, precisam de fermentadores fabricados para ciclos CIP/SIP validados, com superfícies lisas, conexões sanitárias e documentação completa.

Perguntas frequentes

Qual é o tipo mais simples de fermentador?

Um fermentador de tanque misto básico, operado em lotes, é o tipo mais simples. É popular em ambientes de pequena escala ou para iniciantes, como cervejarias e laboratórios educacionais, e não precisa de muita automação.

Processamento em lote versus processamento contínuo: qual funciona melhor?

Os fermentadores contínuos são mais eficientes no aproveitamento do volume para manter a produção constante. Os sistemas de alimentação descontínua, por outro lado, frequentemente tornam a produção de bens de alto valor agregado mais economicamente viável, aumentando o rendimento e reduzindo os riscos.

Qual o tipo de recipiente mais adequado para fermentação em larga escala?

O Reator de Tanque Agitado (STR, na sigla em inglês) é o mais comum e útil. A escolha do recipiente dependerá dos microrganismos, do produto e da escala de produção que você utilizará.

De que tamanho preciso de um fermentador?

O tamanho necessário depende da quantidade que você deseja produzir anualmente, da concentração do produto e da frequência de produção dos lotes. Realize um estudo de escala detalhado e consulte um especialista em fabricação para determinar a quantidade ideal.

Fermentadores e biorreatores são a mesma coisa?

“"Biorreator" é um termo mais geral para diversos processos biológicos diferentes. "Fermentador" geralmente se refere apenas a recipientes usados para o cultivo de microrganismos como leveduras e bactérias.

Quanto custa um fermentador?

Os preços variam de cerca de 1.000 a 10.000 dólares para unidades de laboratório até milhões de dólares para sistemas industriais totalmente automatizados. Depende de fatores como o tamanho da máquina, os materiais utilizados, os instrumentos empregados e o grau de automação necessário.

É possível automatizar os fermentadores?

Sim, a maioria dos fermentadores industriais atuais possui automação de alta tecnologia para fatores importantes como pH e oxigênio dissolvido. Essa automação garante consistência, reduz o trabalho manual e atende aos critérios regulatórios.

Obtenha sua solução personalizada para fermentadores na KDM Steel.

Aço KDM Trabalhamos em parceria com você para criar e construir fermentadores e biorreatores personalizados e robustos, perfeitos para o seu método de trabalho, o design escolhido e as suas necessidades de conformidade. Projetamos tudo o que fabricamos para funcionar bem e durar muito tempo, desde tanques agitados em aço inoxidável até sistemas especializados. Contate-nos e receba seu orçamento personalizado.